I denne artikkelen tar vi en kikk på hvordan kapasiteten i batterier kunne blitt doblet fra dagens nivå. (Bilde: Illustrasjon)
For å doble kapasiteten i et litiumionebatteri må det være færre atomer som ikke er litiumioner «i arbeid». I tillegg må spenningen opp. Ny kjemi med nye metallatomer på katodesiden gir både høyere spenning og kan tillate litt flere litiumioner å vandre over til katodesiden når batteriet produserer strøm. På anodesiden jobbes det med å erstatte grafitt med silisium. Klarer de det vil anoden kunne bli mye mindre, og fremdeles motta like mye litium som dagens karbonbaserte. Utfordringen er mekanisk ved at anoden utvider seg mye når litiumet vandrer inn i den. (Bilde: Illustrasjon)

Slik kunne man doblet kapasiteten i dagens batterier

Superprisfall

Prinsippet for litiumionebatterier har utviklet seg lite siden de ble oppfunnet på 80-tallet og kom på markedet på 90-tallet.

De radikale forbedringene kommer først og fremst fra produksjonsvolumene og det påfølgende prisfallet.

På få år har prisen falt til 20 prosent og det fortsetter i rask takt. Det gjør at batteriteknologien kommer inn i nye markeder som nettavlastende, eller helt nettfrie hjemmebatterier.

Kapasiteten har økt litt, delvis på grunn av at spenningen er økt med rundt 30 prosent, men overraskende lite.

Den viktigste tekniske endingen har vært batteriets evne til å lades mange ganger. Den har beveget seg fra noen titalls ganger til noen tusen ganger og forbedres fortsatt.  

Rekkeviddeangst skiver seg fra mengden elektrisk energi det er mulig å lagre i et batteri. I dag er det litiumionebatterier som er den dominerende teknologien, men oppbygging av nesten alle batterier følger det samme prinsippet uansett teknologi.

Det betyr at det først og fremst er tre måter å dytte mer elektrisk energi inn i batteriet. Man må forbedre anoden, katoden og elektrolytten som skiller de to.

Vekt og pris

Sammenliknet med en bil med forbrenningsmotor veier energilageret gjerne ti ganger så mye. Men en slik sammenlikning blir aldri rettferdig siden vekten av forbrenningsmotor, girboks, dynamo eksosanlegg og annet er mye tyngre enn en elektromotor. Dessuten utnytter elektromotoren drivstoffet ekstremt mye bedre enn en forbrenningsmotor.

Likevel har elbiler og andre batteriopererte ting behov for tettere lagring. Vi trenger en dobling eller mer av energitettheten, men også et fortsatt prisfall. Det er først og fremst det kontinuerlige prisfallet som har gjort batteriet så attraktivt, enten det sitter i en bil eller brukes til å lagre strøm fra fornybare kilder.

Dessverre består det meste av vekten i et batteri av annet enn litiumet som bærer ladningen frem og tilbake. Det er oksygen, metall, karbon, elektrolytt, separator, innkapsling, styring, kjøling, strømledere, osv. Selv om det er gode muligheter til å få ned anodevekten, er det mye igjen som ikke lar seg fjerne.

Vandring og stabilisering

Når en litiumionecelle avgir strøm skjer det ved at litiumatomer i form av positive ioner vandrer fra karbonet i den negative anoden via elektrolytten til katoden, hvor de fester seg i metalloksidet.

Samtidig går de negative elektronene som litiumet avgir for å bli positive, som ikke får bli med i elektrolytten, i en ytre strømkrets hvor de gjør jobben, for så å møte ionene igjen i katoden. Når batteriet lades opp igjen, vandrer litiumionene og elektronene samme vei i motsatt retning.

Det er litium vi vil ha mest mulig av. Alle de andre materialene er bare der for å understøtte vandringen av litium mellom anoden og katoden. Litiumionene trenger andre materialer for å holdes på plass både på anode- og katodesiden.

Batteriet

Når man snakker om batteriet i en elbil er det mange faktorer som inngår. Det er mye elektronikk, ledningsføring, innkapsling osv. som kommer i tillegg til selve cellene som batteriet er bygget opp av.

Men det er cellene som er gjenstand for mesteparten av forskningen og utviklingen. Det er nye battericeller som kunne utløst de virkelig store gevinstene.

Et eksempel er Nissan Leaf, som nylig laserte et oppgradert batteri. Det veier ørlite mer enn det forrige, men energiinnholdet har økt fra 24 til 30 kWh. Det har skjedd gjennom å bytte til en annen kjemi inne i cellene.

Batterivekten er oppgitt til 318 kilo, som gjør at det trengs 10,6 kg for å lagre en kWh. Vekten av selve cellene er sannsynligvis ned mot halvparten av totalvekten.

En battericelle består av tre sentrale komponenter i tillegg til ledningsføringen. Det er de to elektrodene, anoden, katoden og skillet mellom dem, elektrolytten. For å doble kapasiteten trengs det forbedringer i alle sammen.

Det er noe industrien jobber hardt med, men de holder kortene tett til brystet. Bosch har sagt offentlig at de både skal doble energiinnholdet og halvere kostnadene for litiumionebatterier innen 2020. Hvordan de, og andre, skal gjøre det kan vi spekulere på:

Anoden:

I dag brukes karbon i anoden i tillegg til litium. Karbonet utgjør en stor del av vekten. Kan man klare seg med mindre uten at det går ut over oppførselen til litiumatomene, vil man kunne lagre mer strøm per vektenhet.

Et problem med litiumionebatterier er at det dannes litiumkrystaller når litiumionene beveger seg mellom anoden og katoden, gjennom elektrolytten og separatoren. Slike krystaller kan ta form som spisse nåler kalt dendritter, som kan ødelegge polymerseparatoren og ødelegge elektrodene.

For å doble kapasiteten i et litiumionebatteri må det være færre atomer som ikke er litiumioner «i arbeid». I tillegg må spenningen opp. Ny kjemi med nye metallatomer på katodesiden gir både høyere spenning og kan tillate litt flere litiumioner å vandre over til katodesiden når batteriet produserer strøm. På anodesiden jobbes det med å erstatte grafitt med silisium. Klarer de det vil anoden kunne bli mye mindre, og fremdeles motta like mye litium som dagens karbonbaserte. Utfordringen er mekanisk ved at anoden utvider seg mye når litiumet vandrer inn i den. Illustrasjon
Det kan kortslutte batteriet. I faststoffelektrolytt er elektrolytten både elektrolytt og separator. Med flytende elektrolytt må du ha en separator i tillegg.

Det ideelle anodematerialet er rent litium metall. Det går lett gjennom elektrolytten som ioner, men problemet er når det kommer tilbake. Da setter det seg på nærmeste litium metalloverflate, og da er faren for dannelse av dendrittiske krystaller veldig stor.

I en karbonblanding er faren for slik vill krystallvekst med litium redusert, men særlig ved lav temperatur kan det fortsatt være et problem.

I fremtiden vil metallisk litium kunne bli viktig for å øke batterikapasiteten mer enn en dobling. Bosch ser for seg dette som en del av sin løsning, men det vil stille svært store krav til elektrolyttens evne til å beskytte mot dendrittdannelse.

Kanskje det å skifte ut karbon med silisium er den mest spennende utviklingen fremover. Nå trengs det seks karbonatomer for å holde på plass et litiumatom. Med silisium klarer man seg med ett atom per fire Li-atomer og det vil redusere batterivekten betydelig.

Utfordringen med silisium er mekanisk. Når det tar opp litium sveller det ut og sprekker opp. Derfor utvikles nå mange nye ideer til nanostrukturer av silisium. De er så små at de kan ta imot litiumatomer uten at de sprekker.

Katoden:

Katoden bestemmer spenningen i batteriet, og her er det en del å hente. Kan den økes fra i underkant av 4 volt i dag til nærmere 5, selv med dagens batterikjemi, er man kommet et stykke på vei.

Kunsten er å komme dit uten å bruke for mange atomer slik at vekten øker. Her har man ikke de samme mulighetene som på anodesiden.

Det trengs stort sett minst to oksygenatomer og et metallatom (kobolt, jern, nikkel, mangan, eller et annet) for å holde på ett Li-atom i katoden. Oksygenet sørger for spenningen, mens metallet skal holde på oksygenet når litiumet går til anoden.

Det er også viktig at strukturen er stabil når batteriet lades og utlades, slik at det ikke utvikles gass. Såkalte Li-luftbatterier vil klare seg uten metallet og trenger dermed også mindre oksygen.

Men selv om muligheten er forlokkende er det svært vanskelig å holde styr på oksygenet. Svovel kan erstatte oksygen, og er et fast stoff, men gir lavere spenning og en helt ny serie problemer.

Elektrolytten:

I dag brukes våte elektrolytter og en polymerbasert membran som skille mellom elektrodene. Her arbeides det med faste elektrolytter som både leder ioner og som kan fungere som membraner. Slike elektrolytter kan bli mer stabile og mer trygge enn de våte vi har i dag.

Utfordringen er at slike faste elektrolytter trenger å vare gjennom hele batteriets levetid. Men i et miljø hvor det rister, og hvor den må snakke med lavt og høyt potensial på hver side, og i alle temperaturer og forhold.

Dessuten har de dårligere ion-ledningsevne enn dagens, men fordi de kan gjøres mye tynnere trenger de ikke gi mer motstand enn våte membraner. De er imidlertid vanskeligere å få til å virke ved lave temperaturer.

Det å få bedre kontroll med elektrolytten er viktig for sikkerheten i batteriet, som igjen vil gjøre det mulig å bytte ut materialer i katoden slik at spenningen kan økes.

Ledere:

De interne lederne i batteriene betyr også mye for vekten. I dag benyttes kobberledere. Kan man skifte til aluminium vil det ha en svært gunstig effekt på både pris og kWh/kg.

Men om prisen er at man må øke anodespenningen, og dermed redusere batterispenningen, er det ikke sikkert det er verdt det.

Skifte alt

En eller annen kombinasjon av alt dette kan gjøre det realistisk å doble ladetettheten i løpet av noen år, eller tiår, men derfra er det tøffere. Litium-luft har av mange vært en slags hellig gral, men det er svært usikkert om man klarer å lage slike batterier som er stabile over tid.

Uansett må hele verdikjeden sannsynligvis byttes ut ved en dramatisk teknologiomlegging, som må til om man skal mer enn doble.

Problemet med det er at da må man begynne langt tilbake i den svært gunstige prisutviklingen som litiumionebatterier har hatt gjennom mange år. Selv om kWh/kg er viktig er kWh/krone viktigere.

Kilde: Forskningssjef ved IFE, Martin Kirkengen og Professor i Uorganisk materialkjemi ved UiO, Helmer Fjellvåg.